|
Как летать без варп-двигателя и кротовых нор
|
|
|
|
Спустя 50 лет человечество планирует вернуться на Луну, а чуть позже прогнозирует полет на Марс. Однако вряд ли людям в ближайшее время суждено значительно удалиться от земной орбиты: этому мешает немало факторов. Космос — не только последний, но и самый опасный рубеж. Это самая экстремальная из возможных сред, но именно через нее лежит путь к новым мирам. Чтобы добраться до них, человеку придется изобрести новые двигатели, научиться выдерживать радиацию, не умереть от случайной царапины и не сойти с ума. Возможно ли это?
|
|
|
|
При путешествии к экзопланетам (космическим телам вне Солнечной системы) главной проблемой для современных исследователей — и живых, и автоматов — станут не неизведанные условия объектов исследования, а само время, необходимое для такого предприятия. NASA выделило основные проблемы, которые возникнут в связи с тем, что при самом оптимальном развитии технических средств путешествие займет годы.
|
|
|
Сейчас действие основных двигателей основано на химических процессах: топливо и окислитель сгорают, образуя горячий газ. Благодаря нагреву выхлопные газы с высокой скоростью истекают из сопла ракеты, толкая ракету в противоположную сторону. Увы, такие двигатели оставляют человеку мало пространства для маневра, так как скорость истечения газов ограничена температурой сгорания. Даже теоретически путешествие к звездам на двигателях с химической тягой при существующем уровне технологий нереально. Так, самый удаленный от Земли аппарат — Voyager-1, который был запущен в 1977 году, — за 40 лет преодолел свыше 21 млрд км. Это, без преувеличения, астрономическая цифра, но даже при таком положении дел Voyager-1 достигнет звезды AC +79 3888 (17 световых лет от Солнца), по направлению к которой он летит cо скоростью около 62 000 км/ч, лишь через 40 000 лет.
|
|
|
|
Современные космические зонды способны развивать и более высокую скорость. Например, искусственный спутник Юпитера Juno способен достичь примерно 250 000 км/ч, а недавно запущенный к Солнцу аппарат Parker Solar Probe разгонится до 692 000 км/ч. Но в указанных проектах высокая скорость достигается в том числе за счет гравитационных маневров: зонд проходит вблизи планеты, и она увлекает его «с собой», разгоняя до своей орбитальной скорости. Это удобно в пределах нашей системы, но недостаточно для быстрого путешествия к звездам: за пределами Солнечной системы не будет объектов для гравитационного маневра. Кроме того, чем дальше от звезды планета, тем медленнее она движется.
|
|
|
|
Одно из возможных решений проблемы — ионный двигатель. Принцип его работы базируется на создании реактивной тяги на основе ионизированного газа: от молекул отрывают электроны, и полученные заряженные ионы разгоняют в электрическом поле. Таким образом удается достичь более высоких скоростей истечения вещества из сопел, кроме того, такой подход более энергоэффективен (меньше топлива тратится на разгон). В результате ионные двигатели теоретически позволяют добиться небывалых скоростей: по подсчетам исследователей, до Марса можно добраться всего за 39 дней вместо семи месяцев, которые в общей сложности затратит на путь к Красной планете модуль InSight, который должен совершить посадку на Марсе в ноябре этого года. К сожалению, существующие ионные двигатели слишком маломощные и могут применяться только для коррекции орбиты.
|
|
|
|
В России проектом ядерного двигателя для космонавтики занимается госкорпорация «Росатом», подробности не раскрываются
|
|
|
|
Более радикальным подходом, как минимум для колонизации Солнечной системы, могут стать ядерные ракетные двигатели. Ядерный источник греется за счет распада радиоактивного вещества, нагревая рабочее тело, которое может истекать с гораздо большей скоростью, чем получающееся в результате горения топлива и окислителя в химическом двигателе. Этот подход пытались применить еще в начале космической эры, во времена холодной войны. Однако до сих пор их применение сдерживается двумя факторами. Нежелательно закидывать на орбиту большое количество радиоактивных веществ: как показывает практика, иногда оно может свалиться обратно. Кроме того, такой двигатель требует серьезного охлаждения, а в космосе тепло отдать можно только излучением, которое уносит энергию относительно медленно, что ограничивает мощность ядерных двигателей. Слабые же ядерные двигатели проще заменить менее опасными для Земли ионными двигателями или более привычными реактивными движками на химическом топливе.
|
|
|
|
Используя современные материалы и технологии, сейчас разные страны пытаются разработать более мощные модели ядерных и ионных двигателей. Потенциально они позволят в течение нескольких месяцев добираться до Сатурна (у миссии Cassini этот путь занял семь лет). Сегодня разработки ядерных двигателей ведутся, к примеру, в США: в 2017 году NASA и компания BWXT Nuclear Energy заключили контракт на разработку двигателя. В России проектом ядерного двигателя для космонавтики занимается госкорпорация «Росатом», подробности не раскрываются.
|
|
|
|
Опасная среда
|
|
|
|
Даже при наличии двигателей, позволяющих за считаные месяцы или годы достичь дальних планет или даже звезд, вопрос безопасности экипажа такого корабля остается открытым. И главной угрозой станут не инопланетяне или астероиды, а радиация. Ионизирующее излучение может повредить ДНК, вызвать проблемы в работе практически всех систем организма и свести на нет любое, даже самое продуманное космическое предприятие с участием человека.
|
|
|
|
Если говорить о более доступном на сегодняшний день варианте (полете к Марсу), то именно радиация становится одной из главных проблем, с которой предстоит столкнуться космонавтам. Если на Земле человек защищен атмосферой и магнитным полем планеты, то уже на МКС космонавты облучаются в десятки раз сильнее. Полет на Красную планету при нынешнем уровне развития технологий займет около 7 месяцев. К этому необходимо добавить время, проведенное на Марсе, у которого нет защитного магнитного поля и плотной земной атмосферы, а также надо учесть дорогу назад. Суммируя все риски, только радиационная угроза может сделать билет на четвертую от Солнца планету смертельным. Поэтому, например, разрабатываемый компанией Lockheed Martin аппарат Orion будет оборудован специальным защищенным убежищем на случай чрезмерной солнечной активности и большого выброса радиоактивных частиц. Отметим, что подобное решение используется сейчас на МКС.
|
|
|
|
С древних времен вулканической активности на Луне и Марсе могли остаться многокилометровые тоннели шириной до 1 км.
|
|
|
|
Если речь идет о планетарной экспансии, то для этого ученые предлагают в будущем применять магнитные щиты или терраформирование. Есть бюджетный вариант: итальянские исследователи предложили концепт заселения так называемых лавовых трубок — каналов в толще планеты, образующихся при неравномерном остывании лавы. Радиация от космического пространства в них будет минимальна, так как ее ослабят верхние слои Марса. В этом случае также не страшны бури и прочие угрозы на планетах, обладающих атмосферой.
|
|
|
|
Предполагается, что с древних времен вулканической активности на Луне и Марсе могли остаться многокилометровые тоннели шириной до 1 км, во тьме которых вполне могла бы начаться история колонизации небесных тел человеком.
|
|
|
|
Кроме радиации, человеку предстоит решить еще множество проблем: обеспечить бесперебойное и надежное поступление кислорода, решить вопрос с питанием, научиться уживаться с одними и теми же людьми на протяжении долгого времени и т. д. Стоит ли говорить о том, что во время условной миссии даже к ближайшим планетам космонавтам придется самостоятельно решать медицинские проблемы, например удаление аппендицита? На данный момент все отправляющиеся в космос проходят многочисленные тесты, но застраховаться от всего попросту невозможно. Как указали исследователи, команда из шести человек во время 900-дневного вояжа к Марсу почти неминуемо столкнется как минимум с одним случаем, когда одному из членов экипажа потребуется срочная помощь. Некоторую надежду дает российско-европейский эксперимент «Марс-500», в ходе которого экипаж из шести человек в замкнутом помещении на Земле удачно прожил «в полете» 520 дней, справляясь с психологическими и медицинскими задачами.
|
|
|
|
Дорогой космос
|
|
|
|
Финансирование — основа космических проектов, и подавляющее большинство нереализованных космических проектов потерпели неудачу именно на этом этапе. Даже полностью автоматизированные проекты, как, например, марсоход Curiosity, стоят миллиарды долларов. Полет же человека на Марс оценивается в разы дороже.
|
|
|
|
Даже проекты, где нет необходимости продумывать системы жизнеобеспечения для людей, зачастую сталкиваются с проблемами финансирования из-за высокой стоимости технологий. Например, стоимость орбитального телескопа Джеймса Уэбба уже превысила $9 млрд, а вывести его в космос планировалось еще 10 лет назад. Если же говорить о цене пилотируемых миссий, то самым ярким примером стал проект Международной космической станции. Она оценивается в $150 млрд и является одним из самых дорогих инженерных сооружений мира.
|
|
|
|
Более того, финансирование одного проекта само по себе не обеспечивает его успех. Подобные проекты требуют как развитой научной базы, так и производств и инфраструктуры, способной обеспечить поддержание станции. На это одни только США тратят $3 млрд ежегодно.
|
|
|
|
По расчетам NASA, затраты на разработку, подготовку и осуществление миссии к Марсу в течение 30 лет могут превысить $450 млрд. По некоторым оценкам полная стоимость проекта составит $1,5 трлн! Фантастическая сумма на фоне бюджета американского аэрокосмического агентства, который составляет в среднем около $20 млрд ежегодно. Даже весь объем современного рынка космических услуг и технологий достигает $350 млрд. Так что стоимость экспедиции — ничуть не меньшая проблема, чем космическая радиация.
|
|
|
|
Источник
|
